Введение к работе
Проблема рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах является одной из важных задач атмосферной оптики. Перистые облака, состоящие, в основном, из ледяных кристаллов, существенным образом влияют на радиационный баланс Земли и, соответственно, на климат. В последние десятилетия на получение оптических и микрофизических параметров перистых облаков, необходимых для разработки современных численных моделей долгосрочного прогноза погоды и глобального изменения климата, был направлен ряд международных программ и проектов. К ним относятся такие проекты по наземному исследованию перистых облаков, как: ISCCP, EUCREX, CEPEX, SUCCESS, CRYSTAL-FACE, SIRTA, ARM [1, 2] и др.
На смену наземным методам исследования пришли космические наблюдения, позволяющие получать данные в глобальном масштабе. Первыми космическими инструментами были различные радиометры, основным недостатком которых является невозможность получения данных о высотном распределении исследуемых параметров. Наиболее известными космическими радиометрами, использующимися в настоящее время, являются MODIS, ATSR, POLDER, AVHRR [3, 4].
В отличие от радиометров, лидары позволяют получать распределение оптических параметров по высоте. Данный факт сделал лидары основным перспективным инструментом для восстановления оптических и микрофизических параметров облаков. К настоящему времени были запущены космические лидары LITE [5], BALKAN, CALIPSO [6], в ближайшее время планируется запуск лидара EarthCare.
В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН наземные ли- дарные исследования перистых облаков много лет проводились И.В. Са- мохваловым, Б.В. Каулем, Ю.С. Балиным, Г.П. Коханенко [7, 8]. В настоящее время И.В. Самохвалов возглавляет лидарные исследования в ТГУ.
Однако при исследовании лидарами перистых облаков интерпретация полученных данных практически невозможна ввиду отсутствия теоретического решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах. Решить данную задачу напрямую, исходя из уравнений Максвелла, пытаются такие известные ученые как P.C. Waterman, М.И. Мищенко, T. Wriedt, D.W. Mac- kowski [9] и др. Однако современный уровень развития компьютерных технологий все еще не позволяет получить решения для крупных частиц, входящих в состав перистых облаков. С другой стороны, группа ученых во главе с P. Yang пытается решить данную задачу в рамках приближения геометрической оптики [10]. Существенный вклад в развитие приближения геометрической оптики для решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков внес А.Г. Петрушин [11, 12]. Существенным недостатком приближения геометрической оптики является появление в решении сингулярностей, которые затрудняют интерпретацию лидарных данных.
В диссертации предлагается разрешить данное противоречие на основе разработанного в ИАО СО РАН метода физической оптики. Данный метод был разработан в кандидатских диссертациях И.А. Гришина [13] и Н.В. Кустовой [14] и устраняет разрыв между приближением геометрической оптики и точным решением уравнений Максвелла.
Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что актуальность темы диссертации обусловлена тем, что решение задачи обратного рассеяния для ледяных кристаллов методом физической оптики позволяет снять существующие противоречия между точным решением уравнений Максвелла и приближением геометрической оптики, что имеет фундаментальное научное значение. Решение данной задачи имеет важное практическое значение для интерпретации лидарных сигналов перистых облаков.
Таким образом, целью данной диссертации является исследование основных закономерностей в рассеянии света на ледяных кристаллах в рамках метода физической оптики и расчет матрицы рассеяния света для гексагональных ледяных кристаллов в окрестности направления рассеяния назад, что имеет существенное значение для задач лидарного зондирования перистых облаков.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
модернизация алгоритма трассировки пучков для расчетов матриц Мюллера в рамках метода физической оптики;
исследование теоремы взаимности в рамках физической оптики;
расчет матрицы Мюллера для хаотически ориентированных ледяных кристаллов в окрестности направления рассеяния назад;
расчет матрицы обратного рассеяния для квазигоризонтально ориентированных кристаллов;
исследование зеркальной компоненты рассеянного света.
Научная новизна результатов состоит в следующем:
впервые теорема взаимности использована для оценки границ применимости приближения физической оптики;
впервые рассчитаны сечение рассеяния и деполяризационное отношение для хаотически ориентированных ледяных кристаллов перистых облаков;
впервые показано, что при рассеянии света на хаотически ориентированных гексагональных столбиках в линейном деполяризационном отношении существует провал с угловым размером порядка X/D;
впервые показано насыщение величины элементов матрицы Мюллера с ростом параметра формы гексагональных кристаллов;
для горизонтально ориентированных кристаллов рассчитана база данных матриц обратного рассеяния в приближении физической оптики, отличающаяся от баз данных, рассчитанных в приближении геометрической оптики, отсутствием сингулярностей;
разработан алгоритм расчета матрицы Мюллера, отличающийся от существующих возможностью решения задачи рассеяния света на кристаллах с произвольно заданным распределением по ориентациям в приближении физической оптики.
На защиту выносятся следующие положения:
-
-
При рассеянии света на кристаллических частицах с размерами, намного превышающими длину волны падающего света, выполнение теоремы взаимности в направлении рассеяния назад обеспечивается, в приближении физической оптики, появлением пар сопряженных пучков.
-
Для хаотически ориентированных кристаллов в окрестности направления рассеяния строго назад существует область с угловым размером порядка X/D, в которой поляризационные характеристики рассеянного света существенно меняются от угла рассеяния. Угловая ширина данной области позволяет определять диаметр и параметр формы кристаллов.
-
Линейное деполяризационное отношение для света, рассеянного на квазигоризонтально ориентированных пластинках, меньше 1% для случая, когда угол флаттера не превышает 20.
-
При больших углах падения света, когда на взволнованной поверхности воды образуются тени, рассеянное излучение перераспределяется в сторону источника излучения, что позволяет отличать взволнованную поверхность от слоя квазигоризонтально ориентированных частиц.
Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы для восстановления микрофизических параметров перистых облаков из данных лидарного зондирования. Созданный банк данных матриц Мюллера для ледяных кристаллов перистых облаков может быть использован для уточнения радиационного блока в существующих климатических моделях.
Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ № 09-05-00051 «Оптические характеристики атмосферных ледяных кристаллов при их преимущественной ориентации: теоретические и экспериментальные исследования» (2009-2011 гг.), № 12-05-00675-а «Лидарные исследования кристаллических облаков: теория и эксперимент» (20122014 гг.), № 11-02-09695-моб_з «Участие в тринадцатой международной конференции "Рассеяние света и электромагнитных волн" (Electromagnetic and light scattering XIII) с устным докладом» (2010 г.) и № 12-05-16031- моб_з_рос «Расчет сигналов поляризационного сканирующего лидара» для представления на научном мероприятии «Международный Симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (2012 г.), а также при выполнении контрактов Министерства образования и науки Российской Федерации Государственный № 8616 (ФЦП) «Свойства света, рассеянного на ледяных кристаллах перистых облаков с учетом их возможных ориента- ций в пространстве» (2012 г.) и Государственный № 14.515.11.0032 (ФЦП) «Разработка технологий активного и пассивного зондирования атмосферы Земли в оптическом и радио диапазонах для создания распределенной информационно-вычислительной системы комплексной обработки, передачи и использования экспериментальных данных» (2013 г.).
Достоверность полученных результатов обеспечена:
соответствием рассчитанных матриц Мюллера как теореме обратного рассеяния, так и неравенствам Ховенира-ван дер Ми (Hovenier and van der Mee);
хорошим согласованием рассчитанных данных с результатами экспериментальных наблюдений;
совпадением расчетных данных для зеркальной компоненты рассеянного света с аналитическим решением;
сеточной сходимостью расчётных данных.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в постановке всех задач, рассмотренных в диссертации.
Диссертант лично провел модернизацию разработанного в ИОА СО РАН алгоритма трассировки пучков, а также провел его тестирование на соответствие теореме взаимности и сеточную сходимость.
Вошедшие в диссертацию результаты получены автором совместно с научным руководителем либо самостоятельно.
Публикации
Основные результаты работы представлены в 29 публикациях. Из них 8 статей в научных журналах, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, 1 статья в рецензируемом научном зарубежном журнале, 8 статей в трудах российских и международных конференций, а также 12 тезисов международных и российских конференций.
Апробация работы
Материалы по теме диссертационной работы были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: XVII-XVIII Международные симпозиумы «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011; Иркутск, 2012); X Международная Школа молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А.Г. Колесника (Томск, 2012); Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2012 (Иркутск, 2012); V Всероссийская конференция молодых ученых по материаловедению, технологиям и экологии в 3-м тысячелетии (Томск, 2012); 50-я Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2012); 26th International Laser Radar Conference (Греция, 2012); American Astronomical Society, DPS meeting / AAS / Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts (США, 2012); XVII, XIX Рабочие группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2010, 2012); Восемнадцатая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых (Красноярск, 2012); NATO ASI on «Spec- tial Detection Technique (Polarimetry) and Remote Sensing» (Украина, 2010).
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 203 наименований. Каждая глава состоит из краткой аннотации рассматриваемой задачи, смысловой части и заключения в виде основных результатов по главе.
Работа изложена на 142 машинописных листах.
Похожие диссертации на Рассеяние света на гексагональных ледяных кристаллах перистых облаков в приближении физической оптики
-
